「幾何」本來是中國固有的數學詞彙,意思是「有多少?」, 如今成為 geometry 的音譯,而 geometry 的意譯是「形學」, 意思是關於形體的數學。 我們常說基礎數學的內容是「數量形」, 其中「數量」是指正整數 (positive integers) 和有理數(rational numbers), 而「形」就是形體 (shapes),包括平面圖形 (plane figures) 和立體物 (solids)。 關於數量的數學是算術 (arithmetic),關於形體的數學就是幾何 (geometry)。
我們從生活經驗所認知的空間 (space) 是三維的 (three dimensional), 或者說空間的維度 (dimension) 是三。 這是因為空間中最多只能有三條互相垂直的直線:three lines which are mutually perpendicular; 注意所謂互相垂直的前提是它們有交點。
我們只能從立體物獲得「形」的實際經驗。某些立體物具有某種規則, 例如球 (ball)、正立方體 (cube)、金字塔 (pyramid),看上去就能感知其特殊規則。 在概念上,形體的表面 (surface) 沒有厚度 (thickness), 因為如果有厚度,將會無法分辨形體的內部和外部。 因為刪除了厚度這個 dimension,所以形體的表面是二維的 (two dimensional)。 有些形體的表面是彎曲的,例如球面 (sphere) 就是一種曲面 (curved surface), 也有些形體的表面可以由若干片平坦的 (flat) 面 (faces) 組成, 例如 cube 的表面由 6 片正方形 (squares) 組成, pyramid 的底部 (base) 以上,由 4 片三角形 (triangles) 組成。 將平坦的面無限延伸而成平面:flat surface 或 planar surface 或者就說 plane。 Surface 可以是曲面也可以是平面,但當沒有特別聲明的時候,surface 的意思是曲面。
兩面的交集為曲線 (curved line 或 curve),兩平面的交集為直線 (straight line)。 Line 可以是直線也可以是曲線,但當沒有特別聲明的時候,line 的意思是直線。 因為面沒有厚度,所以相交而得的線就沒有寬度,所以線是一維的 (one dimensional)。 兩線的交集就是點 (point),它沒有厚度、沒有寬度、也沒有長度, 也就是說它沒有維度 (dimensionless)。
用坐標觀念來看,一維圖形可以用一個實數確定它上面任何一點的位置, 二維圖形需要兩個實數,三維圖形需要三個實數。
點、線、面是概念性的數學物件 (mathematical objects) 或幾何物件 (geometric objects), 它們在物質世界中並不存在:They don't exist in the material world. 有規則的幾何物件通稱為 geometric shapes(幾何圖形/形體)。 探究 plane figures 的數學稱為平面幾何 (plane geometry), 探究 solids 的數學稱為立體/空間幾何 (solid geometry)。
[語音講解:geometry.mp3] |